CN110829166A - 一种具有光束净化功能的拉曼光纤放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光纤激光器技术领域，提供了一种具有光束净化功能的拉曼光纤放大器，它包括种子源(1)、高功率光纤激光泵浦源阵列(2)、泵浦信号合束器(3)、拉曼光纤(4)和端帽(5)；种子源(1)与泵浦信号合束器(3)的中心信号臂相连；高功率光纤激光泵浦源阵列(3)的输出臂分别接入泵浦信号合束器(3)的泵浦输入臂；泵浦信号合束器(3)的输出端与拉曼光纤(4)连接，拉曼光纤(4)的另一端与端帽(5)连接；泵浦信号合束器(3)的输出光纤和端帽(5)的尾纤均为与拉曼光纤(4)相同的渐变折射率光纤，所述相同是指光纤折射率渐变方向、渐变率、纤芯尺寸、折射率值分布均相同。

Description

一种具有光束净化功能的拉曼光纤放大器
技术领域
本发明总体地属于光纤激光器技术领域，具体地涉及一种基于渐变折射率光纤的光束净化方法。
背景技术
渐变折射率光纤也称平方律光纤，多模纤芯折射率分布呈抛物线形，即纤芯折射率与径向距离成平方律关系，随着径向距离的增大，折射率逐渐减小。由于折射率的抛物线分布，渐变折射率光纤类似于光纤凸透镜，具有自聚焦特点，纤芯中的模式传输不受光纤弯曲影响，具有亮度保持能力。此外，纤芯中基模所在区域的拉曼增益系数高于高阶模，具有更强的拉曼增益提取能力。因此，利用渐变折射率光纤中的受激拉曼散射散射效应，能够产生并放大拉曼增益，将低亮度泵浦光转换为高亮度拉曼激光输出。
光束质量因子M2是用来衡量光纤激光亮度的重要指标参数之一，表示光束能被聚焦的能力。在功率一定的情况下，光束质量因子M2越低，激光的亮度越高，经过相同的聚焦系统，能被聚焦的光斑尺寸越小。将高斯分布的基模激光被聚焦的光斑尺寸最小，将其对应的光束质量因子M2定义为1。含有其他高阶模成分的激光聚焦后的光斑尺寸均大于基模的聚焦光斑尺寸，光束质量因子M2则大于1。
目前，基于渐变折射率光纤的全光纤结构拉曼光纤振荡器和放大器已经分别实现了5.6倍和3.8倍的亮度提升。然而，光纤振荡器需要特殊定制基于渐变折射率光纤的光纤光栅，成本高昂，且承受功率较低，无法应用于高功率拉曼激光的光束净化。拉曼光纤放大器均基于功率合束，种子源在经过功率合束器后亮度下降，即使经过渐变折射率光纤的光束净化，亮度提高倍数仍然较低。
发明内容
本发明的目的是保持拉曼光纤放大器的种子亮度，将基于渐变折射率光纤的光束净化效果最大化，其主要特点是在拉曼光纤放大器的输入端，在将泵浦激光与种子激光合束时，利用输出光纤为渐变折射率光纤的泵浦信号合束器，通过将种子激光与泵浦信号合束器的中心纤连接，使得种子亮度得到保持；由于泵浦信号合束器的输出光纤与拉曼光纤放大器的拉曼光纤均为相同的渐变折射率光纤，在熔接点不存在模场失配，同样有利于保持输入激光亮度。
本发明的技术方案是，一种具有光束净化功能的拉曼光纤放大器，它包括种子源、高功率光纤激光泵浦源阵列、泵浦信号合束器、拉曼光纤和端帽；所述种子源为信号光波长的激光源，它与泵浦信号合束器的中心信号臂相连；所述高功率光纤激光泵浦源阵列的输出臂分别接入泵浦信号合束器的泵浦输入臂；所述泵浦信号合束器的输出端与拉曼光纤连接，拉曼光纤的另一端与端帽连接，并通过端帽输出拉曼激光，所述拉曼光纤为渐变折射率光纤；所述泵浦信号合束器的输出光纤和端帽尾纤均为与拉曼光纤相同的渐变折射率光纤，即渐变方向、渐变率、纤芯尺寸、折射率值以及折射率分布均相同。
进一步的，本发明具有光束净化功能的拉曼光纤放大器还包括光纤光栅，所述光纤光栅的一端连接在泵浦信号合束器的输出光纤与拉曼光纤的熔接点上，另一端连接在拉曼光纤与端帽之间的熔接点上，以使光纤光栅和拉曼光纤并联在泵浦信号合束器与端帽之间。
更进一步的，本发明具有光束净化功能的拉曼光纤放大器还包括下一级放大器，所述下一级放大器包括隔离器、第二高功率光纤激光泵浦源阵列、第二泵浦信号合束器和第二拉曼光纤，其中，所述拉曼光纤的输出端与隔离器输入臂相连，隔离器输出臂依次连接第二高功率光纤激光泵浦源阵列、第二泵浦信号合束器、第二拉曼光纤，第二拉曼光纤的输出端与端帽相连接，隔离器的作用是防止下一级放大器的后向回光损伤。隔离器之前的部件组成的结构可以作为下一级放大器的种子源(即级联放大器种子源)以进行级联放大，级联放大器种子源与隔离器输入臂相连，隔离器输出臂和第二高功率光纤激光泵浦源阵列相连，隔离器9的作用是防止下一级放大器的后向回光损伤上一级种子源。
更进一步的，上述种子源是半导体激光器、掺镱光纤激光器、拉曼光纤激光器中的一种，其信号光波长位于所述高功率光纤激光泵浦源阵列波长对应的拉曼增益谱内，例如频移13.2THz，对应的是石英光纤最大拉曼增益系数；其信号光光束质量因子M2小于高功率光纤激光泵浦源阵列激光光束质量因子M2，例如，M2小于等于3。
更进一步的，上述高功率光纤激光泵浦源阵列和/或第二高功率光纤激光泵浦源阵列由一个或多个激光器组成，所述激光器为半导体激光器和/或掺镱光纤激光器；所述高功率光纤激光泵浦源阵列和/或第二高功率光纤激光泵浦源阵列的波长范围在0.9微米至1.1微米之间。
更进一步的，上述泵浦信号合束器和/或第二泵浦信号合束器为端泵合束器或侧泵合束器，其输出光纤的渐变率与拉曼光纤的渐变率相同。
还进一步的，上述泵浦信号合束器和/或第二泵浦信号合束器为端泵泵浦信号合束器时，其输入光纤根数为7或者19，其中一根为信号输入臂，其余为泵浦输入臂。
还进一步的，上述信号输入臂位于拉锥光纤束中心臂，种子源与信号输入臂相连，经过泵浦信号合束器输出，种子源功率损耗小于等于90％，光束质量因子M2的退化比例小于等于50％。
还进一步的，上述泵浦信号合束器和/或第二泵浦信号合束器为侧泵泵浦信号合束器时，其输入光纤根数为3，其中一根为信号输入臂，其余两根泵浦输入臂，种子源与信号输入臂相连，经过泵浦信号合束器输出，种子源功率损耗小于等于90％，光束质量因子M2的退化比例小于等于50％。
还进一步的，上述拉曼光纤的纤芯折射率分布呈抛物线形，即纤芯折射率与径向距离成平方律关系，随着径向距离的增大，折射率逐渐减小；所述端帽的尾纤与拉曼光纤相同。拉曼光纤的纤芯尺寸任意，可以选用普通商用渐变折射率光纤，例如，纤芯直径为20微米、50微米、62.5微米和100微米；拉曼光纤的纤芯为渐变折射率分布的前提下，可以是单包层光纤，也可以是双包层光纤或者三包层光纤。
本发明相比现有技术的先进点在于：
1)通过使用渐变折射率光纤作为拉曼光纤，利用其中的受激拉曼散射散射效应，能够产生并放大拉曼增益，将低亮度泵浦光转换为高亮度拉曼激光输出。
2)使用泵浦信号合束器，种子源与泵浦信号合束器的中心信号臂相连，使得种子亮度得到保持。
3)泵浦信号合束器输出光纤、端帽尾纤均为与拉曼光纤相同的渐变折射率光纤。
附图说明
从下面结合附图对本发明实施例的详细描述中，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：
图1为本发明具有光束净化功能的拉曼光纤放大器的结构组成示意图；
图2为本发明具有光束净化功能的拉曼光纤放大器的泵浦信号合束器为端泵泵浦信号合束器时输入光纤的结构示意图；
图3为本发明具有光束净化功能的拉曼光纤放大器的泵浦信号合束器为侧泵泵浦信号合束器时输入光纤的结构示意图；
图4为本发明具有光束净化功能的拉曼光纤放大器中包括与拉曼光纤并联的光纤光栅8时的结构示意图；
图5为本发明具有光束净化功能的拉曼光纤放大器中包括下一级放大器时的结构示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种具有光束净化功能的拉曼光纤放大器，其结构如图1所示，它包括种子源1、高功率光纤激光泵浦源阵列2、泵浦信号合束器3、拉曼光纤4和端帽5；所述种子源1为信号光波长的激光源，它与泵浦信号合束器3的中心信号臂相连；所述高功率光纤激光泵浦源阵列2的输出臂分别接入泵浦信号合束器3的泵浦输入臂；所述泵浦信号合束器3的输出端与拉曼光纤4连接，拉曼光纤4的另一端与端帽5连接，并通过端帽5输出拉曼激光，所述拉曼光纤4为渐变折射率光纤；所述泵浦信号合束器3的输出光纤和端帽5均为与拉曼光纤4相同的渐变折射率光纤，此处的相同是指渐变方向、渐变率、纤芯尺寸、折射率值以及折射率分布均相同，相同光纤的优点就是熔接处的模场失配最小，亮度保持最大；各部分的具体结构和特性如下：
种子源1是半导体激光器、掺镱光纤激光器、拉曼光纤激光器中的一种，其信号光波长位于所述高功率光纤激光泵浦源阵列2波长对应的拉曼增益谱内；其信号光光束质量因子M2小于高功率光纤激光泵浦源阵列2激光光束质量因子M2。
高功率光纤激光泵浦源阵列2由一个或多个激光器组成，所述激光器为半导体激光器和/或掺镱光纤激光器；所述高功率光纤激光泵浦源阵列2的波长范围在0.9微米至1.1微米之间。
泵浦信号合束器3为端泵合束器或侧泵合束器，其输出光纤的渐变率与拉曼光纤4的渐变率相同：当泵浦信号合束器3为端泵泵浦信号合束器时，其输入光纤(如图2所示)根数为7或者19，其中一根为信号输入臂6，其余为泵浦输入臂，优选信号输入臂6位于拉锥光纤束中心臂，种子源1与信号输入臂6相连，经过泵浦信号合束器3输出，种子源1功率损耗小于等于90％，光束质量因子M2的退化比例小于等于50％，退化比例最优值为小于等于10％；当泵浦信号合束器3为侧泵泵浦信号合束器时，其输入光纤根数(如图3所示)为3，其中一根为信号输入臂6，其余两根泵浦输入臂，种子源1与信号输入臂相连，经过泵浦信号合束器3输出，种子源功率损耗小于等于90％，光束质量因子M2的退化比例小于等于50％，退化比例最优值为小于等于10％。
对于种子源1功率损耗小于等于90％，光束质量因子M2的退化比例小于等于10％，根据亮度计算公式，亮度等于功率除以光束质量因子M2的平方，估算出种子亮度退化比例小于等于72.9％。对于拉曼光纤放大器，常规增益可达到10-13dB,因此经放大器输出的种子和种子源亮度相比，可提高7.29-14.58倍。相比于现有技术，具有显著的光束净化效果，具有明显的技术进步。
拉曼光纤4的纤芯折射率分布呈抛物线形，即纤芯折射率与径向距离成平方律关系，随着径向距离的增大，折射率逐渐减小；所述泵浦信号合束器3的输出光纤和端帽5的尾纤均与拉曼光纤4相同。拉曼光纤4的纤芯尺寸任意，可以选用普通商用渐变折射率光纤，例如，纤芯直径为20微米、50微米、62.5微米和100微米；拉曼光纤4的纤芯为渐变折射率分布的前提下，可以是单包层光纤，也可以是双包层光纤或者三包层光纤。
实施例2
一种具有光束净化功能的拉曼光纤放大器，其结构如图4所示，除了具有上述实施例1中的部件外，还包括光纤光栅8，所述光纤光栅8的一端连接在泵浦信号合束器3的输出光纤与拉曼光纤4的熔接点上，另一端连接在拉曼光纤4与端帽5之间的熔接点上，以使光纤光栅8和拉曼光纤4并联在泵浦信号合束器3与端帽5之间。
实施例3
一种具有光束净化功能的拉曼光纤放大器，其结构如图5所示，除了具有上述实施例1或2中的部件外，还包括下一级放大器，所述下一级放大器包括隔离器9、第二高功率光纤激光泵浦源阵列10、第二泵浦信号合束器11和第二拉曼光纤12，下一级放大器通过隔离器9与作为种子源的上一级放大器相连，当实施例1中的结构作为其上一级放大器时，所述拉曼光纤4的输出端与隔离器9输入臂相连，隔离器9的输出臂与第二泵浦信号合束器11的中心信号臂连接，第二泵浦信号合束器11的其余泵浦臂与第二高功率光纤激光泵浦源阵列10连接，第二泵浦信号合束器11的输出光纤依次与第二拉曼光纤12、端帽5相连接。第二泵浦信号合束器11的输出光纤、第二拉曼光纤12、端帽5的尾纤均为相同种类的双包层无源光纤。隔离器9的作用是防止下一级放大器的后向回光损伤；当实施例2的结构作为其种子源时，隔离器9的输入端与光栅光纤8的输出端连接，隔离器9的输出端与第二泵浦信号合束器11的中心信号臂连接，其余部件连接方式相同。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种具有光束净化功能的拉曼光纤放大器，其特征在于，它包括种子源(1)、高功率光纤激光泵浦源阵列(2)、泵浦信号合束器(3)、拉曼光纤(4)和端帽(5)；
所述种子源(1)为信号光波长的激光源，它与泵浦信号合束器(3)的中心信号臂相连；
所述高功率光纤激光泵浦源阵列(2)的输出臂分别接入泵浦信号合束器(3)的泵浦输入臂；
所述泵浦信号合束器(3)的输出端与拉曼光纤(4)连接，拉曼光纤(4)的另一端与端帽(5)连接，并通过端帽(5)输出拉曼激光，所述拉曼光纤(4)为渐变折射率光纤；
所述泵浦信号合束器(3)的输出光纤和端帽(5)的尾纤均为与拉曼光纤(4)相同的渐变折射率光纤，所述相同是指光纤折射率渐变方向、渐变率、纤芯尺寸、折射率值分布范围均相同。
2.如权利要求1所述的具有光束净化功能的拉曼光纤放大器，其特征在于，还包括光纤光栅(8)，所述光纤光栅(8)的一端连接在泵浦信号合束器(3)的输出光纤与拉曼光纤(4)的熔接点上，另一端连接在拉曼光纤(4)与端帽(5)之间的熔接点上，以使光纤光栅(8)和拉曼光纤(4)并联在泵浦信号合束器(3)与端帽(5)之间。
3.如权利要求1或2所述的具有光束净化功能的拉曼光纤放大器，其特征在于，还包括下一级放大器，所述下一级放大器包括隔离器(9)、第二高功率光纤激光泵浦源阵列(10)、第二泵浦信号合束器(11)和第二拉曼光纤(12)，其中，所述拉曼光纤(4)的输出端与隔离器(9)输入臂相连，隔离器(9)输出臂依次连接第二高功率光纤激光泵浦源阵列(10)、第二泵浦信号合束器(11)、第二拉曼光纤(12)，第二拉曼光纤(12)的输出端与端帽(5)相连接，隔离器(9)的作用是防止下一级放大器的后向回光损伤。
4.如权利要求1或2所述的具有光束净化功能的拉曼光纤放大器，其特征在于，所述种子源(1)是半导体激光器、掺镱光纤激光器、拉曼光纤激光器中的一种，其信号光波长位于所述高功率光纤激光泵浦源阵列(2)波长对应的拉曼增益谱内；其信号光光束质量因子M2小于高功率光纤激光泵浦源阵列(2)激光光束质量因子M2。
5.如权利要求1-3中任一权利要求所述的具有光束净化功能的拉曼光纤放大器，其特征在于，所述高功率光纤激光泵浦源阵列(2)和/或第二高功率光纤激光泵浦源阵列(10)由一个或多个激光器组成，所述激光器为半导体激光器和/或掺镱光纤激光器；所述高功率光纤激光泵浦源阵列(2)和/或第二高功率光纤激光泵浦源阵列(10)的波长范围在0.9微米至1.1微米之间。
6.如权利要求1-3中任一权利要求所述的具有光束净化功能的拉曼光纤放大器，其特征在于，所述泵浦信号合束器(3)和/或第二泵浦信号合束器(11)为端泵合束器或侧泵合束器，其输出光纤拉曼光纤(4)是同种渐变折射率光纤。
7.如权利要求6所述的具有光束净化功能的拉曼光纤放大器，其特征在于，所述泵浦信号合束器(3)和/或第二泵浦信号合束器(11)为端泵泵浦信号合束器时，其输入光纤根数为7或者19，其中光纤束的中心纤为信号输入臂(6)，围绕中心纤的其余光纤为泵浦输入臂。
8.如权利要求7所述的具有光束净化功能的拉曼光纤放大器，其特征在于，所述信号输入臂(6)位于拉锥光纤束中心臂，种子源(1)与信号输入臂(6)相连，经过泵浦信号合束器(3)输出，光束质量因子M2的退化比例小于等于50％。
9.如权利要求6所述的具有光束净化功能的拉曼光纤放大器，其特征在于，所述泵浦信号合束器(3)和/或第二泵浦信号合束器(11)为侧泵泵浦信号合束器时，其输入光纤根数为3，其中一根为信号输入臂(6)，其余两根泵浦输入臂，种子源(1)与信号输入臂相连，经过泵浦信号合束器(3)输出，光束质量因子M2的退化比例小于等于50％。
10.如权利要求1-3中任一权利要求所述的具有光束净化功能的拉曼光纤放大器，其特征在于，所述拉曼光纤、泵浦信号合束器输出光纤以及端帽尾纤的纤芯折射率分布呈抛物线形，即纤芯折射率与径向距离成平方律关系，随着径向距离的增大，折射率逐渐减小。
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